カスタムスポーツ用品の開発方法

2026-10-12 · 創業者とオーナーへ · 14分で読めます · endothermal systems

Aknazar Arysbek、創業者。生体医工学エンジニア(タフツ大学 修士)。 LinkedIn ↗

ラクロスのコーチをしているとしましょう。練習が終わると、フィールドには100個のボールが散らばっています。誰かが拾わなければなりません。あなたには、それをやってくれる機械のアイデアがあります。このノートでは、スポーツ用品の開発がそのアイデアをスケッチから箱入りの製品へとどう進めていくかを、各ステップの数字を計算しながら示します。

最初に決めておく3つのこと

カスタムスポーツ機器を作るすべてのプロジェクトは、意図、制約、そしてシステムという三つの要素から始まります。

意図とは、製品によって何を変えたいかです。私たちの機械の場合は単純です。コーチが練習のたびに、最後にボールだらけのフィールドでかがみ込んで過ごすのをやめられるようにすることです。

制約とは、製品がその中に収まらなければならない限界です。それぞれが設計を囲む柵のように働きます。私たちの機械はモーターなしで動かなければなりません。一人で操作できなければなりません。車に積めなければなりません。

システムとは、あらゆる判断で繰り返す方法のことで、私たちの方法は「理想の結果」の方法です。考えられる解決策それぞれが、物理法則の範囲内で完璧に機能する様子を思い描き、それから評価します。完璧な姿でさえ満足できないなら、その案は捨てます。満足できるなら、そこに至る方法を考えます。この方法なら、悪いアイデアをまだ安いうちに捨てられます。

スポーツ製品開発の6つのステップ

ヘルメットからボールピッカーマシンまで、すべてのハードウェアは同じ6つのステップを経ています。各ステップは1つの疑問に答えます。

1台の機械を例に、6つのステップすべてを追っていきます。小さなボール用のボール回収機です。可動部品があり、地面に接し、車で持ち帰ります。そして、代わりの手段、つまりバケツを持った疲れたアシスタントコーチよりも安くなければなりません。

ここではラクロスとスカッシュという2つのスポーツを見ていきます。どちらも小さなボールを使っています。これらのボールの違いがデザインの多くを決定します。

ステップ1:要件

図面を描く前に、機械が何をすべきかを書き留めます。このリストが要件です。後の決定はそれと照らして検証されます。

良い要件には数字が入っています。「ボールを素早く拾う」は願望です。「100個のボールを10分以内に拾う」は要件です。

まずはボールから始めましょう。

ラクロスの数値はボール規格NOCSAE ND049から来ています。重量は5.0〜5.25オンス、周囲は7.75〜8.0インチに設定されており、メートル法値は私たちの換算値です。スカッシュの数値は、公開されたワールドスカッシュボール仕様です。

ラクロスボールはスカッシュボールの約1.6倍の幅があります。重さは約6倍です。両方用に作られた機械は、それぞれ1つ用に作られた2台の機械よりも作るのが難しいです。

この例では、ラクロスボール回収機を開発します。要件のリストは次のとおりです。

R2、R3、R5、R8の数字は、この例のための仮定です。実際のプロジェクトでは、毎日フィールドに立つあなた自身がこれらの数字を出します。

今度は要件に数字を付けると、願いのリストは鉛筆で解ける工学的な問題になります。

満載時の重さは?

ラクロスボール1個は約145 gなので、100個で約15 kgになります。大きなスイカ1個分です。フレーム、車輪、ハンドルがこれを支え、操作する人がこれを押さなければなりません。

ボールはどれくらいのスペースを取る?

ラクロスボール1個の体積は約135 cm³です。容器に注ぎ入れたボールの間には隙間ができ、無作為に積み重なった球は、占める空間の約64%しか埋めません(ランダム最密充填)。したがって、100個のボールには約21リットルの空間が必要です。小さなリュックサックほどの大きさです。

どれくらいの速さで歩かなければならない?

機械が自分の幅と同じ帯状の範囲にあるボールをすべて拾うとします。幅0.6 mの機械で30 m×30 mの範囲を片付けるには、1,500 m歩くことになります。一定の歩行速度を1.2 m/sと仮定すると、約21分かかります。これではR2を満たせません。幅1.2 mの機械なら歩く距離が半分になり、約10分で済みます。しかし1.2 mの機械は、R5を満たすために折りたためなければなりません。

つまり、2つの要件がぶつかり合っています。ここには逃げ道があります。シュート練習の後のゴール付近のように、ボールがかたまって散らばっているとしましょう。それなら、かたまりからかたまりへと歩けばよく、1平方メートルずつすべてを掃く必要はありません。R2は成り立ちますが、それはテストでボールを実際の散らばり方どおりに配置した場合に限られます。R2のテスト方法には、その配置方法を明記する必要があります。

ルール:要件を現実と照らし合わせる前に、まず要件同士を照らし合わせること。

ステップ2:コンセプト

要件が決まると、デザイナーはそれを満たすためのあらゆる合理的なスケッチを作成します。これらのスケッチがコンセプトです。誰かがお気に入りを選ぶ前に、すべてテーブルに並べます。

私たちのコレクターには4つのコンセプトがあります。どれもどこかで失敗します。仕事は、自分が対処できる失敗を選ぶことです。

次に理想的な結果の方法を適用します。それぞれのコンセプトが完璧に機能している様子を想像してください。

完璧なピックアップチューブでも、1回かがむごとに持ち上げられるのは1個です。100回かがむことこそ、最初の問題でした。この案は捨てます。

完璧な牽引式スイーパーでも、フィールドに車両が必要です。車両を持たないチームには使えません。この案は捨てます。

完璧なロボットはすべてのボールを見つけます。しかし、バッテリー、モーター、カメラ、そしてボールとタンポポを見分けるソフトウェアも必要です。完璧な形でさえ、R8の価格上限を満たせません。この案は捨てます。

完璧なプッシュローラーは、モーターをまったく使わずに、1回の通過ですべてのボールを回収します。合格です。結論はコンセプトBです。

なぜ勝ったのかに注目してください。合格したコンセプトの中で、Bは部品が最も少ないのです。部品を1つ減らすごとに、設計し、購入し、壊れるものが1つ減ります。

コンセプトBは、もっと小さなサイズですでに販売されています。Kollectaball K-Fieldは、ラクロス、野球、フィールドホッケー、クリケットのボール用に作られたワイヤーケージ式ローラーです。最大25個のボールを収容でき、定価は$99.95です。この原理がラクロスボールで機能することを証明しています。ただしR3は満たせません。100個のボールを集めるには4回空にする必要があります。残る仕事は、4倍の大きさのケージです。プロジェクトを先に進める前に、まず市販品を確認しましょう。

プッシュローラーの中

ケージは、2つの端のディスクの間に張られたバネワイヤーでできたドラムです。ドラムがボールの上を転がると、隣接する2本のワイヤーが上からボールを押し下げます。ボールはその間の隙間よりも広いです。そのためワイヤーは曲がり、ボールはポップして通り抜けます。その後、ワイヤーは跳ね返ります。これでボールは中に入れられ、落ちてこなくなるのです。

すべては隙間で決まります。広すぎるとボールがこぼれ落ち、狭すぎるとワイヤーが十分に曲がらず、ボールが入りません。出発点として有用なのは、ボール直径の約80%の隙間です。64 mmのラクロスボールなら約51 mm、40 mmのスカッシュボールなら約32 mmです。どちらの数字も、ステップ3で検証すべき仮定です。

ここでスカッシュボールの話に戻ります。ラクロスボールに合わせた隙間では、スカッシュボールはそのまま抜け落ちます。スカッシュボールに合わせた隙間では、ラクロスボールはまったく入りません。1つのケージで両方のスポーツには対応できません。スカッシュボール回収機には専用のケージか、ケージを交換できるフレームが必要です。

スカッシュでは、もう一つ問いが生じます。4つの壁に囲まれたコートにあるボールは、せいぜい30個ほどです。もう一度「理想の結果」を当てはめてみましょう。完璧な機械でも、スカッシュのコーチが節約できるのは1〜2分です。カゴで十分かもしれません。最も安い機械とは、作らずに済む機械です。

ルール:何かを描く前に、機械が扱う必要のある最小と最大の物体を書き出すこと。

ステップ3:概念実証

概念実証とは、一つの問いに答えるために作られた大まかなモデルのことです。中心的なアイデアは機能しているのでしょうか?

プッシュローラーの場合、問いは絞られています。芝生の上を転がしたとき、ラクロスボールはケージに入り、中に留まるか?ハンドル、塗装、折りたたみは後回しで構いません。

モデルは、2枚の合板ディスクに数本のバネワイヤーを曲げて渡したもので十分です。ボールを10個置いた芝生の上を転がし、いくつ中に入ったかを数えます。次に隙間を2 mmずつ変え、45〜57 mmの範囲で転がし直します。隙間ごとの個数をグラフにします。最適な隙間は、すべてのボールが入り、1個も出てこない隙間です。

芝の上では、もう一つテストが必要です。ラクロスボールは芝の中に沈み込みます。ボールがただ転がって逃げてしまう前に、ケージがボールを強く押してワイヤーの間に押し込まなければなりません。その押す力はドラムの重さから生まれます。ドラムが軽すぎると、長い芝の上ではボールを乗り越えてしまいます。その機械が使われる最も長い芝の上でテストしてください。

ここは、プロジェクトの中で間違えても最も安く済む場所です。ここで失敗するアイデアの代償は、合板とワイヤー1巻、それに芝生での数回の午後です。同じアイデアが金型を作った後で失敗すれば、数千ドルかかります。

ステップ4:エンジニアリングプロトタイプとテスト

アイデアがうまくいくと、設計者は実際の製品のように見え、動作するプロトタイプを作ります。すべての部品はまずコンピュータモデルに描かれます。各寸法、素材、ファスナーが一覧化されます。

プロトタイプは主に5つのパーツで構成されています。それぞれに独自の工学的な課題があります。

ワイヤーを例に取りましょう。ボールが1個入るたびに、ワイヤーが2本曲がります。クリップを何度も曲げ伸ばしすると、すぐに折れます。金属は繰り返し曲げられると弱っていくのです。エンジニアはこれを疲労と呼びます。

そこで、曲がる回数を数えます。練習1回あたり100球、週5回の練習、30週のシーズンと仮定します。合計15,000球で、1球ごとにワイヤーが2本曲がります。限界より十分低い範囲で使うばね鋼なら、それよりはるかに多くの曲げに耐えられます。また、ワイヤーは濡れた芝の上を転がるので、ステンレス製か防錆コーティングされたものでなければなりません。

プロトタイプは要件に対して一行ずつテストされます。

ほとんどの試作機は初回で少なくとも1回は失敗します。それがテストの目的です。失敗ごとに記録されます。設計が変更されます。そして再度テストを行います。2〜3ラウンドの計画を立ててください。

ステップ5:製造を考慮した設計(DFM)

プロトタイプは手持ちのもので一度に一つずつ作られます。工場は100個、あるいは1000個単位で製品を生産します。製造のための設計は、工場が毎回迅速かつ安価に、同じ方法で作れるように設計を変更する段階です。

ここで、ほとんどのハードウェア予算を左右する数字に出会います。金型などの初期設備費(ツーリング)です。ツーリングとは、工場が最初の部品を作る前に必要な金型や治具のことです。製品が1台も出荷されないうちに支払います。プラスチック部品1つの金型は、単純なアルミ型の約$1,500から、大型で複雑な型の$100,000までです。

1ユニットのコストは以下の通りです:

Cは1台あたりのコストです。Nは製造台数です。Tはツーリング費用で、1回だけ支払います。Mは1台あたりの材料費と部品代です。Lは1台あたりの組み立て人件費です。

回収機のエンドディスクとフレーム部品を作る2つの方法を比べてみましょう。方法1は3Dプリンターで印刷し、手作業で組み立てます。ツーリングにあたるのはプリンターです。方法2は射出成形部品を使います。数字はすべてこの例のための仮定であり、見積もりではありません。

100台の場合、成形した回収機1台あたり$300の金型代を負担します。5,000台なら、同じ金型の負担は$6です。2つの方法のコストが等しくなるのは約516台です。これはツーリング費の差$29,400を、成形によって1台あたり節約できる$57で割った値です。

つまり、製品の作り方は、何台売れる見込みかで決まります。回収機が50台必要なリーグなら、金型を買うべきではありません。5,000台なら、印刷は成形より回収機1台あたり$51高くなります。

よくある質問、プロトタイプを作るのにいくらかかるかへの答えもここにあります。プロトタイプ自体は小さな金額です。その後に来るツーリングが決定的な要因です。

ステップ6:パイロット生産と量産

本格的な発注の前に、工場はパイロット生産と呼ばれる小ロットを作ります。工程にもよりますが、通常は30〜300台です。設計はステップ4で固まっています。今度は工場がテストされる番です。ライン上で部品がきちんと組み合わさるか、100台目が1台目と同じになっているか。箱さえも製品と照らし合わせて確認します。

パイロット生産で見つかった問題の代償は、数台分で済みます。同じ問題が出荷後に見つかれば、5,000箱すべてに入っています。

そして量産が始まります。ここからの仕事は確認です。部品は届くたびに検査され、完成品は抜き取りでテストされ、すべての変更が記録に残されます。

この例の限界

• すべてのコストと$250の目標価格は、計算を示すために選んだ仮定です。実際のプロジェクトでは実際の見積もりを取ります。
• スカッシュボール回収機は、コンセプト段階より先には開発していません。
• 電子回路、ソフトウェア、安全認証は扱っていません。プッシュローラーにはどれも必要ありません。多くのスポーツ製品には3つすべてが必要です。

よくある質問

デザイナーに相談する前に特許が必要ですか? いいえ。会話は秘密保持契約で守られます。特許を出願するかどうかは、特許弁護士に相談すべき別の問題です。

概念実証は飛ばせますか? 飛ばせることはめったにありません。最も安いステップであり、その後のすべてのステップがその答えに左右されます。

1台の機械で2つのスポーツに対応すべきですか? 最初はそうすべきではありません。問題が最もはっきりしているスポーツ向けに作り、それから応用しましょう。

全体のプロセスにはどのくらい時間がかかりますか? かかる時間は2ヶ月から2年までさまざまです。ご要望、予算、そして根気によります。

私たちの立ち位置

出典： NOCSAE ND049-19、新規製造ラクロスボールの標準性能仕様 · スカッシュボールの仕様(Wikipediaによる要約) · 球のランダム最密充填 · Kollectaball K-Field ボール回収器 · Protolabs：射出成形の価格 · Xometry：射出成形のコスト · Fictiv：パイロット生産 · StudioRed：製品デザインのコスト · Cad Crowd：設計・試作の料金. 関連： ハードウェアプロトタイプの費用 · アイデアを製品にする方法.